Rüzgar Çiftliği Yükseltici Trafosu: Nasıl Boyutlandırılır (0,69 kV → 33 kV), Türbin Harmonikleri Spesifikasyonu Neden Belirler ve Karada ile Denizde Ne Değişir

Önce cevap: bir rüzgar santrali gerilimi iki aşamada yükseltir — türbin ünitesini generatör kVA'sı ve harmonik yüküne göre, santral ünitesini ise toplam eşzamanlı çıkış ve şebeke kodu gereksinimlerine göre boyutlandırın

Bir rüzgar santrali gerilimi iki aşamada yükseltir. Türbin yükseltici transformatörü (WTG veya ünite transformatörü olarak da adlandırılır) generatörün düşük gerilimini — genellikle 0,69 kV, en büyük makinelerde ise 0,9–1,14 kV — santralin 20 kV, 33 kV veya 35 kV toplayıcı gerilimine yükseltir ve generatörün kVA cinsinden anma görünür gücüne (kW cinsinden aktif gücüne değil) göre, ortam ve harmonik ısınma için küçük bir marjla boyutlandırılır. Santral (trafo merkezi) transformatörü ise tüm toplayıcı barayı 33 kV'tan 110 kV, 132 kV veya 220 kV şebeke bağlantı seviyesine yükseltir ve her türbinin plaka değerinin toplamı yerine, çeşitlilik düzeltmesi uygulanmış toplam santral çıkışına göre boyutlandırılır. Bir rüzgar transformatörünü sıradan bir dağıtım transformatöründen ayıran üç şey vardır: sargı kayıplarını artıran konvertör harmonikleri, yüksüz kaybı ömür boyu maliyete hakim kılan döngüsel rüzgar kaynaklı çalışma ve zorlu saha koşulları — açık denizde tuzlu sis, karada yükseklik ve geniş termal döngüler. Bu üçünü doğru belirlerseniz transformatör, türbinin 20 yıllık tasarım ömrünü tamamlar.

Önemli çıkarımlar

• İki aşama, iki boyutlandırma kuralı. WTG transformatörü generatör görünür gücüne göre boyutlandırılır (tipik olarak generatör kVA'sının 1,0–1,1 katı); santral transformatörü ise tüm türbin anma değerlerinin aritmetik toplamı değil, bir çeşitlilik/eşzamanlılık faktörü kullanılarak toplam santral çıkışına göre boyutlandırılır.
• Harmonikler termal düşürmeyi belirler. Hem tam konvertörlü (Tip 4) hem de çift beslemeli (Tip 3) türbinler akım distorsiyonu enjekte eder; bir K-faktörü anma değeri veya belgelenmiş bir IEEE C57.110 düşürmesi, ayrıca AG generatör sargısı ile OG toplayıcı sargısı arasında bir elektrostatik ekran belirtilmelidir.
• Rüzgar çalışması döngüseldir, sabit değildir. Çıkış rüzgarı takip eder; bu nedenle yüksüz (demir) kaybı yılda binlerce saat çalışırken yük kaybı yalnızca yüksek rüzgarda oluşur — daha iyi bir kayıp sınıfı (S13/S20) veya amorf çekirdek, ömür boyu maliyet açısından genellikle haklı çıkar.
• Açık deniz yalnızca muhafazayı değil, tipi de değiştirir. Nasel üzerine monte edilen üniteler C5-M korozyon koruması ve sızdırmaz, IP sınıflı muhafazalarla kuru tip veya ester dolgulu tasarımlara yönelir; karadaki toplayıcı transformatörleri genellikle yağ daldırmalı, kaide tipi ünitelerdir.
• Şebeke kodu uyumu bir transformatör gereksinimidir. Düşük gerilim arıza geçiş dayanımı, reaktif güç kabiliyeti, harmonik sınırları ve arıza seviyesi koordinasyonu; empedans, kademe aralığı ve termal tasarıma geri yansır.

Bir rüzgar türbini transformatörü neden standart bir dağıtım transformatörü değildir

Bir dağıtım transformatörü, kararlı bir düşük gerilim şebekesini bir müşteriye indirir ve neredeyse sabit bir yükte çalışır. Bir rüzgar türbini transformatörü ise neredeyse tam tersini yapar. Güç elektroniği tabanlı bir generatörün düşük gerilim çıkışını alır ve tasarımı yeniden şekillendiren üç koşul altında toplayıcı gerilimine yükseltir.

Birincisi, kaynak harmonik açısından zengindir. Şebeke ölçeğinde bir türbin ya rotor tarafı konvertörü düşük mertebeli harmonikler enjekte eden çift beslemeli asenkron generatördür (Tip 3) ya da statoru tamamen yüksek frekansta anahtarlama yapan bir konvertör üzerinden beslenen tam konvertörlü makinedir (Tip 4). Her ikisi de tanımlı güç kalitesi sınırlarına tabidir — bağlantı noktasındaki akım distorsiyonu IEEE 519 ve IEC 61000-3-6 tarafından yönetilir ve türbin karakteristikleri IEC 61400-21'e göre ölçülür — ancak uyumlu makineler bile transformatör sargılarında girdap akımı ve kaçak kayıplarını artıran anahtarlama dalgalanması ve düşük mertebeli harmonikler (5., 7., 11., 13.) bırakır. Bu, transformatör harmonik ısınması ve K-faktörü seçimi arkasındaki aynı mekanizmadır.

İkincisi, yük rüzgarı takip eder. Bir türbin transformatörü, makine kullanılabilir olduğunda — genellikle yılda 8.000+ saat — enerjilenir, ancak tam yüke yalnızca kuvvetli rüzgarda ulaşır. Dolayısıyla yüksüz kaybı yılın neredeyse her saatinde birikirken yük kaybı yalnızca zamanın bir kısmında birikir. Bu asimetri, tıpkı güneş PV yükseltici transformatörleri için olduğu gibi verimlilik argümanını yeniden şekillendirir.

Üçüncüsü, ortam zorludur. Açık deniz üniteleri tuz yüklü havaya, yüksek neme ve kısıtlı bakıma maruz kalır; karadaki üniteler ise yüksek veya çok düşük ortam sıcaklığı, yoğun güneş kazancı ve geniş günlük sıcaklık dalgalanmaları olan bozkır, çöl, dağ ve kıyı sahalarında bulunur. 25 °C'lik bir iç mekan için tasarlanmış bir transformatör, otomatik olarak 45 °C'lik bir dış mekan kaidesi veya −30 °C'lik soğuk çalıştırma sahası için uygun değildir.

Bir rüzgar türbini (WTG) yükseltici transformatörü nasıl boyutlandırılır: üç adımlı bir yöntem

Aritmetik basittir; doğru girdileri seçmek ise değildir.

Adım 1 — Generatörün anma görünür gücünden (kVA) başlayın

Generatörün anma görünür gücünü kullanın, aktif güç anma değerini değil. 0,95 güç faktöründe çalışan 5 MW'lık bir türbin transformatörüne yaklaşık 5,26 MVA sunar; aynı güç faktöründeki 6 MW'lık bir makine yaklaşık 6,32 MVA sunar. Yalnızca MW üzerinden boyutlandırma, sargının taşıması gereken akımı olduğundan az gösterir.

Adım 2 — Ortam, yükseklik ve harmonikler için bir marj ekleyin

Sahanın sıcak gün ortam sıcaklığı, yükseklik (hava soğutmasını azaltır, bkz. yükseklik düşürme kılavuzu) ve makinenin harmonik içeriği için bir tasarım marjı — başlangıç noktası olarak genellikle %5–15 — uygulayın. Bir sonraki standart anma değerine yuvarlayın; örneğin 5 MW sınıfı bir türbin için 5,5 MVA veya 6,3 MVA. Yaklaşık %15'in üzerinde aşırı boyutlandırma çoğunlukla yalnızca yüksüz kayıp ve maliyet ekler.

Adım 3 — Harmonik, termal ve kademe spesifikasyonunu belirleyin

Tasarım ortam sıcaklığı için K-faktörünü (veya belgelenmiş bir IEEE C57.110 düşürmesini), sargı sıcaklık artışını ve yalıtım sınıfını, soğutma sınıfını (yağ daldırmalı için ONAN, kuru tip için AN) ve yüksüz kademe aralığını — tipik olarak ±2 × %2,5 — belirleyin; böylece şebeke koşulu değiştikçe toplayıcı gerilimi ayarlanabilir. Konvertör tarafı ve şebeke tarafı bozulmalarını birbirinden ayrı tutmak için AG ve OG sargıları arasına bir elektrostatik ekran ekleyin. Genel gereksinimler IEC 60076-16 (rüzgar türbini uygulamaları için transformatörler) tarafından belirlenir; ana standartlar olarak IEC 60076-1 ve IEEE C57.12.00 geçerlidir.

Rüzgar santrali (trafo merkezi) transformatörü nasıl boyutlandırılır

Adım 1 — Santralin AC çıkışını toplayın, ardından çeşitlilik uygulayın

Santralin ortak bağlantı noktasındaki toplam AC kapasitesini toplayın, ardından bir eşzamanlılık (çeşitlilik) faktörü uygulayın: iyi konumlandırılmış bir dizide bile her türbin aynı anda plaka çıkışı üretmez. Yirmi adet 5 MW'lık türbinden oluşan bir santral (100 MW kurulu güç), ideal rüzgar altında kurulu kapasitenin kabaca %90–97'si kadar eşzamanlı çıkışa ulaşabilir; bu nedenle santral transformatörünün tasarım temeli, her türbin transformatörünün anma değerinin aritmetik toplamı değil, sahanın incelenmiş tepe ihracatıdır.

Adım 2 — kVA'ya dönüştürün ve standart bir boyuta yuvarlayın

Eşzamanlı AC MW değerini santralin sözleşmeli güç faktörünü kullanarak MVA'ya dönüştürün (modern şebeke kodları altında genellikle 0,95 geriden 0,95 ileri), ardından standart bir anma değerine yuvarlayın — örneğin 0,95 gf'de 100 MW'lık bir santral yaklaşık 105 MVA verir, bu nedenle 120 MVA veya 125 MVA'lık bir ünite tipik bir seçimdir.

Adım 3 — Şebeke kodu uyumu için empedans, kademeler ve soğutmayı belirleyin

Arıza seviyesi sınırlamasını gerilim regülasyonu ve geçiş dayanımına karşı dengelemek için empedans gerilimini (Uk%) belirleyin (110–220 kV sınıfı bir ünite için tipik olarak %10–14); şebeke kodunun gerilim aralığı ve reaktif güç gereksinimlerine göre yükte veya yüksüz kademe değiştiriciyi seçin; ve soğutma sınıfını ve aşırı yük profilini gerekli reaktif kabiliyete karşı doğrulayın. Transformatör, santralin arıza geçiş dayanımını veya reaktif güç uyumunu zayıflatmamalıdır — bu bir sistem meselesidir, katalog seçimi değil.

Gerilim mimarisi: 0,69 kV'tan 220 kV'a iki aşamada

Her transformatörün nerede konumlandığı, oranını ve anma değerini belirler. Dört düzenleme neredeyse her kara ve açık deniz rüzgar santralini kapsar.

Karadaki toplayıcı gerilimleri 33 kV (Avrupa ve Asya'nın büyük bölümü), 34,5 kV (Kuzey Amerika), 35 kV (Çin) ve 20 kV civarında kümelenir; şebeke bağlantı seviyesi yerel iletim operatörü tarafından seçilir. Açık denizde, toplayıcı gerilimi kablo kayıplarını azaltmak için genellikle 66 kV'a yükselir ve ihracat gerilimi kablo uzunluğu ve karadaki şebeke tarafından belirlenir.

Konvertör harmonikleri ve K-faktörü: modern türbinler transformatörü neden ısıtır

Türbin tipi, transformatörün tolere etmesi gereken harmonik spektrumunu belirler.

• Tip 3 — çift beslemeli asenkron generatör (DFIG). Stator doğrudan bağlıdır, bu nedenle transformatör esas olarak kısmi anma güçlü rotor konvertöründen gelen düşük mertebeli harmonikleri (5., 7., 11., 13.) görür. Distorsiyon orta düzeydedir ancak süreklidir.
• Tip 4 — tam konvertör. Generatör çıkışı tamamen doğrultulur ve yeniden evrilir, bu nedenle transformatör anahtarlama frekansı dalgalanması ile büyüklüğü konvertör topolojisine ve filtresine bağlı düşük mertebeli yan bantları görür. Toplam distorsiyon genellikle daha düşüktür, ancak yüksek frekans içeriği daha zengindir.

Girdap akımı ve kaçak kayıplar harmonik akımın karesiyle ve frekansla artar; bu nedenle saf sinüs dalgası için anma değeri verilmiş bir transformatör, konvertör yükü altında plaka değerinin ima ettiğinden daha sıcak çalışır. Bunu ele almak için iki spesifikasyon seçeneği vardır: bir K-faktörü anma değeri (K-4 ila K-9 çoğu modern türbini kapsar) veya belgelenmiş IEEE C57.110 düşürmesi olan standart bir ünite. Her ikisi de AG ve OG sargıları arasında bir elektrostatik ekran ile eşleştirilmelidir; bu aynı zamanda türbin konvertörünü şebeke tarafı geçici aşırı gerilimlerinden korur. Temel yöntemler için harmonik kılavuzuna ve K-faktörü kılavuzuna bakın.

Döngüsel rüzgar çalışması ve kayıp ekonomisi: hangi kayıp sınıfı kendini amorti eder

Bir türbin transformatörünün çalışma döngüsüne yük değil, saatler hakimdir. Makine kullanılabilir olduğunda enerjilenir ve yüksüz kaybı (P0) o saatlerin her birinde birikirken yük kaybı (Pk) yalnızca yükte üretim sırasında birikir. Örneğin %35 kapasite faktörüne sahip bir sahada transformatör, yılın yalnızca bir kısmında tam yüke yakın çalışabilir. Bu nedenle rüzgar transformatörleri için ömür boyu maliyet hesaplamaları, yüksüz kaybı endüstriyel bir transformatörden daha ağır şekilde ağırlıklandırır — ve daha iyi bir kayıp sınıfının (S13 veya S20) ya da bir amorf metal çekirdeğin, daha yüksek ilk maliyete rağmen birkaç yıl içinde kendini amorti edebilmesinin nedeni budur. Yöntem, TCO kılavuzunda ortaya konanla aynıdır ve kayıp sınıfları arasındaki ödünleşim S11/S13/S20 karşılaştırmasında ve amorf çekirdek kılavuzunda ele alınmıştır.

Döngüsel çalışmadan iki termal sonuç doğar: günlük termal döngü (sargıların ve yalıtımın genleşmesi ve büzülmesi; bu, kağıt yalıtımını yaşlandırır ve zamanla sıkıştırmayı gevşetebilir) ve ONAF kullanılıyorsa fan veya zorlamalı soğutma anahtarlaması. Her ikisi de sağlam sıkıştırma, muhafazakar bir sargı sıcaklık artışı ve sık anahtarlamaya bağlı olmayan bir soğutma tasarımı gerektirir. Yalıtım ömrü temelleri yalıtım sınıfı kılavuzunda ele alınmıştır.

Kara vs açık deniz: spesifikasyonda neler değişir

Açık deniz üniteleri ayrıca sismik ve titreşim gereksinimleri, bazı bölgelerde çok düşük soğuk çalıştırma sıcaklıkları ve bir nasel içinde daha sıkı yangın yükü sınırlarını taşır. Karada, en büyük pratik sorunlar yükseklik düşürmesi, soğutma kanallarında toz ve böcekler ve kaide tipi tasarımlarda nem ve kemirgen girişidir. Yağ sistemleri için, konservatör ile hermetik sızdırmaz tank arasındaki seçim yağ koruma kılavuzunda ve akışkan seçimi transformatör yağı kılavuzunda ele alınmıştır.

Rüzgar santrali transformatörü spesifikasyon kontrol listesi

• Tasarım temeli, anma güç faktöründe generatör görünür gücüdür (kVA); sıcak gün ortam sıcaklığı ve yükseklik marjı ayrı ayrı belirtilir.
• Gerilim oranı sabitlenmiştir: 0,69 / 0,9 / 1,14 kV AG'den 20 / 33 / 35 / 66 kV toplayıcıya — bir veya iki aşama.
• K-faktörü veya belgelenmiş IEEE C57.110 düşürmesi türbin tipiyle (Tip 3 veya Tip 4) eşleştirilmiştir.
• AG ve OG sargıları arasında elektrostatik ekran.
• Vektör grubu — Dyn11 yaygın varsayılandır; santralin topraklama ve koruma tasarımına karşı doğrulayın (bkz. vektör grubu kılavuzu).
• Empedans gerilimi (Uk%) arıza seviyesi, gerilim regülasyonu ve geçiş dayanımını dengeleyecek şekilde belirlenmiştir.
• Toplayıcı gerilimi ayarı için yüksüz kademeler (±2 × %2,5); yalnızca şebeke kodu gerektiriyorsa yükte kademe değiştirme.
• Kayıp sınıfı veya amorf çekirdek ilk maliyete değil, ömür boyu yüksüz kayıp maliyetine göre seçilmiştir.
• Soğutma sınıfı ve tasarım ortam sıcaklığı sahaya uygun (örneğin 45–50 °C sıcak gün tasarımı).
• Korozyon sınıfı (ISO 12944'e göre karada C4 / açık denizde C5-M), IP sınıfı ve sızdırmaz tasarım.
• Parafudrlar ve koruma transformatör arıza seviyesi ve türbin anma değerleriyle koordine edilmiştir (bkz. yıldırımdan koruma kılavuzu ve koruma cihazları kılavuzu).
• Tip ve rutin testler IEC 60076-16 ile ana IEC 60076 serisine göre; sevkiyat öncesi fabrika kabul testi (bkz. sevkiyat öncesi muayene kontrol listesi) ve doğrulanmış üretici denetimi (bkz. tedarikçi denetim kontrol listesi) ile.

Rüzgar santrali transformatörleri hakkında sık sorulan sorular

Bir rüzgar türbini transformatörünün kVA anma değeri nasıl hesaplanır?

Türbinin aktif güç anma değerini güç faktörüne bölerek görünür gücü elde edin, ardından ortam, yükseklik ve harmonikler için %5–15 marj ekleyin ve standart bir boyuta yuvarlayın. 0,95 gf'de 5 MW'lık bir türbin yaklaşık 5,26 MVA'dır, bu nedenle 5,5 MVA veya 6,3 MVA'lık bir transformatör tipik bir seçimdir.

Bir rüzgar türbini transformatörü yağ daldırmalı mı yoksa kuru tip mi?

Karada, yağ daldırmalı kaide tipi veya kule tabanı transformatörler normdur. Açık denizde ve özellikle bir nasel içinde, yangın yükünü ve bakım için ulaşılması zor bir konumda yağ dökülmesi riskini azalttıkları için kuru tip veya ester dolgulu üniteler tercih edilir.

Rüzgar santralleri neden iki transformatör aşaması kullanır?

Generatörün gerilimi (yaklaşık 0,69 kV) santral boyunca iletim için çok düşüktür, bu nedenle her türbin 33 kV sınıfı bir toplayıcıya yükseltir ve bir merkezi transformatör toplayıcıyı 110–220 kV şebeke seviyesine yükseltir. Toplayıcı geriliminde iletim, kablo kayıplarını ve kablo boyutunu yönetilebilir tutar.

Bir WTG transformatörü ile bir rüzgar santrali trafo merkezi transformatörü arasındaki fark nedir?

WTG (ünite) transformatörü bir türbinin çıkışını toplayıcı gerilimine yükseltir ve o türbinin görünür gücüne göre boyutlandırılır. Rüzgar santrali trafo merkezi transformatörü tüm toplayıcı barayı şebeke gerilimine yükseltir ve santralin toplam eşzamanlı çıkışına göre boyutlandırılır.

Sources / 资料来源

• Source: IEC 60076-16 — Power transformers — Part 16: Transformers for wind turbine applications
<